數據采集系統設計

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摘 要：設計一種基于STM32和CPLD的數據采集系統，實現現場數據的采集、傳輸、顯示和存儲。數據采集過程由CPLD控制，采用Verilog HDL語言設計輸入通道選通和A/D采集控制程序，進行數據的濾波、放大、轉換，實現多通道數據的采集；在STM32中實現數據處理、傳輸，并在PC機中開發上層數據管理軟件，實現數據的顯示、存儲。系統可實現多通道數據采集實時顯示的要求，電路設計方法簡單、可靠性高，能滿足實際應用的要求。

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關鍵詞：STM32; CPLD; 實時數據; 數據管理

中圖分類號：TN710-34； TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0157-03

Design of data acquisition system

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CAI Chang， QI Wen-jun， NONG Deng， LI Lin， ZHOU Nan

(GuangZhou Research Institute of Non-ferrous Metals， Guangzhou 510650， China)

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Abstract：

A data acquisition system was designed based on STM32 and CPLD to realize acquisition， transport， display and storage of on-line data. The sampling process was controlled by the CPLD to realize multi-channel data acquisition. Verilog HDL language was adopted in this system， two modules were designed by the programmer， including input channel connection module and A/D acquisition module， so as to realize filtering， amplifying and converting of on-line data. The data was processed and transformed by STM32. The upper software of data management was developed in PC to realize the displaying and storage of data. It has been found that the system can meet the real-time display requirement of multi-channel data acquisition. The system circuit design method is simple and reliable. It meets the requirement of practical application.

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Keywords： STM32; CPLD; real-time data; management of data

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收稿日期：2011-07-28

0 引 言

隨著自動控制和計算機技術的成熟和發展，以及它們和傳統工業的結合，加工設備的自動化程度有了大幅度的提高，各種控制設備與控制技術得到了廣泛應用，大大提高了加工制造的效率，當然這種高效的生產對檢測量的精確性和實時性也提出了更高的要求，而依靠傳統的數據采集方法(即由操作工人憑借簡易測量工具進行測量)已無法滿足這種要求。

目前，生產設備的參數采集手段主要有便攜式檢測儀和在線檢測系統[1-6]，采用便攜式儀器需要花費大量的人力和時間，采集到的數據不能實時反映設備加工的狀態，具有一定局限性；一般的在線檢測系統，檢測數據相對單一，不能滿足多成分分析的需要；對于一些大型的在線檢測系統，雖然能滿足實時檢測和精度要求，但系統體積龐大、投資多、難以推廣使用，并且國內很多在線檢測系統，對檢測到的數據缺乏綜合利用和管理，不能很好地為工藝和裝置的優化節能及節能減耗改造服務。因此開發出具有實時數據采集、存儲、傳輸等功能的在線數據采集系統是十分必要的。

1 系統的整體方案與工作原理

數據采集系統是基于CPLD和STM32的弱信號采集電路，可用于各種弱信號檢測的應用研究中，整個系統由信號濾波、信號放大、數據采樣處理和主計算機傳輸接口等組成[7-8]。信號濾波防止信號產生“混疊現象”；信號放大對輸入信號進行調理，使信號在A/D轉換能夠轉換的電壓范圍內，以滿足采樣的要求；數據采樣處理完成模擬信號的采樣保持和數字化；與主計算機的數據接口，將數據上傳給計算機，滿足信號檢測的實時性，進行數據的存儲、顯示等。數據采集電路板硬件功能模塊構成如圖1所示。

圖1 數據采集電路板硬件功能模塊構成

2 系統硬件結構

整個系統由信號預處理、信號采集和數據傳輸三大模塊組成，其中信號預處理進行信號濾波、信號放大，預處理模塊由MC1558，MC1556等組成；信號采集進行信號選通、A/D轉換;信號采集模塊由AD508、A/D轉換芯片、CPLD組成；數據傳輸進行數據的軟件濾波、通過通信口與上位機進行通信，數據傳輸由STM32芯片、信號輸出接口模塊組成。

2.1 信號預處理電路

由于待采集電壓信號輸入動態范圍較寬，且極性各異，采用輸入電壓范圍可調的信號預處理電路。信號預處理電路如圖2所示，信號放大倍數為R1×R2/(100×100)。

圖2 信號預處理電路

2.2 信號采集模塊

CPLD是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎上發展起來的，同以往的GAL、PAL等相比，CPLD的規模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路的應用場合[9]。采用Altera公司的EPM7128SQI100作為數據采集的控制芯片，負責信號采樣、A/D轉換、數據輸入控制等。EPM7128SQI100具有128個宏單元，84個用戶I/O管腳，工作電壓為5.0 V，具有2 500個可用門和ISP，管腳間延遲為6.0 ns，計數器速度可高達125 MHz，可以很好地滿足系統的需要。信號采集電路如圖3所示。

圖3 信號采集電路圖

ADG508是一款8通道CMOS模擬多路選擇器，具有高速轉換速度和低內阻特性，通道切換具有防短路功能。在CPLD控制下，它可對采集信號進行有序通道切換。A/D轉換芯片選用AD977，AD977是ADI(Analog Devices)公司推出的一款高速16位A/D轉換器，輸入電壓范圍為-10~+10 V，單極5 V電壓供電，采樣頻率可達100 kHz。數據采樣系統最大采樣速率可達50 kHz，信號分辨率可達0.3 mV。通過采用多路轉換開關ADG508與16位A/D配合使用，降低了成本。

2.3 數據傳輸模塊

STM32是數據通信芯片，主要負責數據處理、傳輸控制、參數設置等。采用STM32F103xB系列ARM芯片，該系列芯片是意法半導體基于Contex-M3內核的32位微處理器，可以滿足高性能、低功耗和低成本特性的嵌入式應用。芯片具備72 MHz時鐘頻率，擁有豐富的外設裝置，包括128 KB嵌入式閃存、20 KB的SRAM、兩個ADC接口、三個UART、支持USB、CAN和七個DMA通道等豐富的外圍模塊，以其高速的指令執行速度、方便的JTAG調試方式和低功耗等特性為數據采集與處理的設計提供了一個較為完善的平臺。數據傳輸電路如圖4所示。

圖4 數據傳輸電路圖

STM32F103VBT6的所有I/O端口兼容CMOS和TTL，在5 V引腳上的輸入電壓最小值為-0.3 V，最大值為5.5 V，低電平電壓范圍為-0.5~0.8 V，高電平電壓范圍為2.0~5.0 V，經EPM7128輸出的數據直接與STM32F103VBT6連接，簡化了電路。

3 軟件設計

根據設計任務的要求，系統軟件主要完成數據的采集、濾波處理、串口與PC機的通信，數據采集軟件由信號采集與通信模塊軟件、上位機監控軟件兩部分組成。

3.1 信號采集與通信模塊軟件設計

數據采集系統的固件驅動程序(又稱單片機程序)是固化到CPU模塊內的軟件，采用模塊化設計，主要模塊包括：信號采集控制模塊和數據傳輸模塊兩大部分。信號采集控制模塊軟件固化到CPLD中，數據通信模塊軟件固化到STM32中。

信號采集控制模塊軟件利用Altera公司的Quartus開發軟件實現，采用Verilog HDL語言設計，主要功能包括輸入通道選通、數據采樣控制。通過CPLD芯片分別控制ADG508和AD977，進行模擬量輸入通道的選擇和啟動A/D轉換。數據的采集算法過程中，根據香農定理，采樣頻率大于被采集信號的2倍頻率。信號采集模塊軟件流程圖如圖5所示。

圖5 信號采集模塊軟件流程圖

數據傳輸模塊軟件在Real View MDK環境下編寫，主要功能包括數據接收、數據處理、串口通信。STM32通過握手信號啟動CPLD的數據采集程序，在讀取信號RD的上升沿讀取上次A/D轉換結果，同時啟動A/D轉換器轉換下一路信號。軟件設計上，采用極值滑動平均濾波抑制疊加在模擬輸入信號上的噪聲；應用軟件攔截技術、軟件看門狗技術、故障處理自恢復技術等措施使受干擾而“跑飛”的程序回到正常的軌道上；采用I/O自檢等程序預先發現故障并定位故障所在，提高系統的可靠性。數據通信模塊軟件流程圖如圖6所示。

圖6 數據通信模塊軟件流程圖

3.2 上位機監控軟件設計

用戶應用服務程序直接面向用戶，是控制數據采集軟件的最上層，不僅提供與用戶交互的界面，還能通過發送各種控制命令來控制采集模塊的工作。利用微軟公司開發的軟件開發平臺VC++ 6.0設計上層界面，進行數據的實時顯示、存儲。采用串口傳輸協議， 將底層采集到的數據傳輸到上位PC機，并在VC++ 6.0設計的上層界面中實時顯示。

制定通信協議[10]：通信雙方的波特率設定為9 600 b/s；幀格式：一個起始位，八個數據位，一個可編程的第九位，一個停止位；工作方式：PC機采用查詢方式，STM32采用中斷方式；功能標志：發送請求標志#0F1H，接收請求標志#0FFH；校驗：通信雙方采用

求和校驗的方式，即發送一串字符，雙方計算累加和，與PC機比較，有錯即重發。

4 結 論

數據采集系統采用CPLD選取輸入通道、控制A/D轉換，實現數據采樣；利用STM32具有的豐富外設接口進行數據處理、數據通信，提高了系統設計的靈活性，使系統易于升級和擴展。本系統開發周期短、運行穩定、性能可靠、使用方便。配合上位機采集界面，方便進行操作使用以及各種采樣數據的存儲，在多種模擬量輸入的數據采集和控制系統的應用中前景十分廣闊，將數據采集系統應用到工業現場數據的采集中將是本研究下一步將要進行的工作。

參 考 文 獻

［1］鄭國軍，戴巧琪，肖德瑞，等.基于STM32的便攜式體檢裝置設計［J］.醫學信息，2010(8):1989-1991.

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［2］劉明貴，于謇，梁昊.基于STM32的巖土工程無線采集系統［J］.儀表技術與傳感器，2010(5):95-97.

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［3］趙錫鈞.基于RS 485接口的單片機串行通信［J］.計算機技術，2000(4):56-58.

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［4］張震，王劍，黃國輝，等.高性能溫度采集儀的研制［J］.機電工程，2010，27(3):80-84.

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［5］郝壽朋，劉瑞玲.基于CAN總線的數據采集與控制系統設計［J］.現代電子技術，2011，34(8):36-38，42.

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［6］蘇永芝，耿玉玲.基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號處理平臺的實現［J］.現代電子技術，2011，34(7):34-36.

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［7］賀勝洪，錢雪軍.基于CPLD技術的多通道編碼器數據采集系統［J］.自動化與儀器儀表，2003，109(5):4-7.

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［8］趙麗，肖龍騰，胡叼福，等.基于TMS320F2812與AD976的數據采集系統的設計與實現［J］.天津工程師范學院學報，2010，20(1):30-33.

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［9］周治良，李宏順，歲哲，等.基于單片機和CPLD實時數據采集顯示系統設計［J］.電子設計工程，2009，17(10):88-90.

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［10］周凱，郭黎利.基于MAX485實現PC機與單片機通信的程序設計［J］.信息技術，2005(4):10-12.

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作者簡介：

蔡 暢 男，1983年出生，湖南邵陽人，碩士研究生。主要研究方向為信息技術研究、集成電路設計。